專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池金屬雙極板成形模具及成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池金屬雙極板成形模具及成形方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是利用化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。在全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重、化石能源日趨枯 竭的情況下，因燃料電池具有高效、節(jié)能、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的 重視。燃料電池和傳統(tǒng)能源相比具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、安靜、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 然而它一個(gè)致命的缺點(diǎn)是它的成本為傳統(tǒng)原料的4-10倍(傳統(tǒng)原料30 - 50$/kW，燃料電 池200 - 300$/kW)。
質(zhì)子交換膜燃料電池，除具有燃料電池的一般特點(diǎn)(如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、安 靜、可靠性高)之外，同時(shí)還具有可在室溫快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)、比 功率與比能量高等突出特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是代替內(nèi)燃機(jī)的首先系統(tǒng)。PEMFC的關(guān)鍵部件為雙 極板，它占整個(gè)燃料電池堆總重量的60-80%和電堆成本的30-45%，成為了制約燃料電池市場(chǎng) 化的瓶頸。
近年來(lái)雙極板引起了很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的興趣。到目前為止主要有三大類(lèi)雙極板
(1)石墨板，(2)石墨-橡膠復(fù)合板，(3)金屬板。石墨板因?yàn)槠鋵?dǎo)電良好、化學(xué)穩(wěn)定性 好，易于加工流場(chǎng)，是PEMFC廣泛采用的極板材料，但其機(jī)械強(qiáng)度差、加工成本高使其在 PEMFC的工業(yè)化應(yīng)用中缺乏足夠的競(jìng)爭(zhēng)力。復(fù)合石墨板、柔性石墨及薄層金屬板都是非常有 潛力的雙極板替換材料。而薄層金屬雙極板不僅易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)、降低電堆成本,而且能 大幅度提高電堆比功率，是最有競(jìng)爭(zhēng)力的雙極板材料。
雙極板成型的關(guān)鍵是流場(chǎng)成型，流場(chǎng)的尺寸精度高，表面無(wú)微裂紋，并盡量保證流場(chǎng) 的壁厚均勻。薄層金屬雙極板流場(chǎng)的成形有傳統(tǒng)的沖壓加工和刻蝕法；刻蝕加工效率低、 不易于大規(guī)模生產(chǎn)；傳統(tǒng)的鋼模沖壓加工模具，上下模為剛性接觸(均為鋼模)，難免零件 表面有壓痕、刮傷，使雙極板在酸性環(huán)境下容易腐蝕，從而降低雙極板的使用壽命；而且 用上述模具制造成本高(上下模均需按零件要求加工制造)，定位配合誤差大(上下模有需 要配合定位)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有雙極板加工技術(shù)中的不足，提供一種燃料電池金屬雙極板 成形模具及基于該模具軟模成形的成形方法，本發(fā)明采用軟模成形，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn) 效率高，降低金屬雙極板的成本，同時(shí)軟模成形的沖壓件無(wú)翹曲和回彈現(xiàn)象，零件質(zhì)量高。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是 一種燃料電池金屬雙極板成形模具，包括模架，模架上設(shè)有 作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的二個(gè)模板，其特征在于其中一個(gè)模板上聯(lián)接有鋼模，另一個(gè)模板上聯(lián)接有容 框，容框內(nèi)固定有橡膠板，容框和鋼模組成沖裁模。
本發(fā)明所述容框上還可設(shè)有擋料銷(xiāo)，防止被加工料板在進(jìn)行沖裁下料時(shí)移動(dòng)；鋼模上還 可設(shè)有沖裁孔，用來(lái)成形雙極板的燃料氣體和冷卻介質(zhì)通道。
本發(fā)明還提供了一種用上述模具加工燃料電池金屬雙極板的成形工藝，包括如下歩驟
1) 下料將被加工料板置于鋼模和容框之間，模具的二個(gè)模板在液壓機(jī)作用下作相對(duì)運(yùn)動(dòng) 并帶動(dòng)鋼模運(yùn)動(dòng)，鋼模和容框?qū)Ρ患庸ち习鍥_裁下料，沖裁得到的坯料隨鋼模進(jìn)入容框內(nèi)；
2) 沖壓成形上模進(jìn)入容框后在液壓機(jī)作用下繼續(xù)移動(dòng)并擠壓坯料和橡膠，使坯料填充滿 鋼模的型腔；得到金屬雙極板。
與現(xiàn)有的其他成形技術(shù)相比，本發(fā)明能提高金屬雙極板的生產(chǎn)效率，降低金屬雙極板 的成本，當(dāng)剪切下料、沖壓成形流場(chǎng)和沖孔在一個(gè)工步上進(jìn)行時(shí)，能降低采用傳統(tǒng)沖壓工 藝由于定位而造成的制造誤差；凹模采用橡膠，這能提高金屬成形性能，有效防止雙極板 的翹曲，生產(chǎn)的金屬雙極板品質(zhì)高，有效的提高電堆的裝配質(zhì)量。為大批量生產(chǎn)燃料電池 金屬雙極板提高了 一個(gè)切實(shí)可行的方法。
本發(fā)明采用軟模成形，上模或者下模之一用橡膠代替，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為l)模具結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低。采用橡膠做上?；蛳履r(shí)，只要?jiǎng)傂缘纳夏；蛳履０戳慵蠹庸ぃ?從而使模具制造簡(jiǎn)單，同時(shí)不用考慮了上模和下模的配合問(wèn)題，從而降低加工費(fèi)用；2)提 高成形零件質(zhì)量。用傳統(tǒng)鋼模沖壓成形時(shí)，由于上、下模不能完全一致和間隙均勻，因此 零件就有偏差；同時(shí)，由于上、下模為剛性接觸，難免零件表面有壓痕、刮傷，使雙極板 在酸性環(huán)境下容易腐蝕，從而降低雙極板的使用壽命。而采用橡膠軟模成形，板料在柔性 介質(zhì)的帶動(dòng)下填充滿型腔，就很好的避免了上述問(wèn)題，零件質(zhì)量極高，并且沒(méi)有回彈和零 件撓曲現(xiàn)象；3)操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，能實(shí)現(xiàn)雙極板的大批量生產(chǎn)。


圖1為雙極板樣板結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明燃料電池金屬雙極板樣板成形模具的結(jié)構(gòu)示意圖3為流場(chǎng)成形原理局部放大示意圖4為軟模沖孔原理局部放大示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為燃料電池金屬雙極板樣板，毛坯材料為ss304不銹鋼鋼板，厚度為0.1mm，雙極 板流場(chǎng)為蛇形流場(chǎng)，并且雙極板上有兩個(gè)燃料氣體和冷卻介質(zhì)通道，其直徑大小為4)D。根 據(jù)樣板設(shè)計(jì)出成形模具，如圖2所示，模具包括模架，模架上設(shè)有作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的上模板l、 下模板10、聯(lián)接上模板1和下模板10的導(dǎo)柱3、導(dǎo)套7;上模2通過(guò)上模固定塊6聯(lián)接在上 模板1上，上模2為鋼模，鋼模根據(jù)零件要求加工出型腔，為了能在一個(gè)工步上加工出雙極板的燃料氣體和冷卻介質(zhì)通道，根據(jù)極板圓孔的位置、尺寸要求，在鋼模上對(duì)應(yīng)的位置加工 出圓孔(如圖2中A-A處所示)，圓孔入口處是鋒利的刃口。下模為橡膠板5，橡膠板5固定 在容框9內(nèi)，容框9固定在下模板10上，容框9四邊設(shè)有刃口，上模2也有刃口，容框9 和上模2組成沖裁模。
本發(fā)明所述容框9上還可設(shè)有防止被加工料板在進(jìn)行沖裁時(shí)移動(dòng)的擋料銷(xiāo)4。
本發(fā)明加工燃料電池金屬雙極板的成形工藝，包括如下歩驟
1) 下料根據(jù)以上所述的模具的上模2和容框9組成沖裁模，將被加工料板置于上模 2和容框9之間，由擋料銷(xiāo)4進(jìn)行定位，在液壓機(jī)作用下上模板1帶動(dòng)上模2往下移動(dòng)，利 用上模2和容框9的刃口對(duì)被加工料板剪切下料，剪切得到的坯料8隨上模2進(jìn)入容框9 內(nèi)；
2) 上模2進(jìn)入容框9后繼續(xù)往下移動(dòng)，當(dāng)上模2接觸到坯料8時(shí)同時(shí)也開(kāi)始擠壓橡膠 5，橡膠5產(chǎn)生一個(gè)反壓力。由于橡膠5和坯料8之間存在摩擦力，所以橡膠5帶著坯料8 逐漸的填充滿上模2的型腔；單個(gè)流場(chǎng)局部成形示意圖如圖3所示。
3) 上模2繼續(xù)下行，擠壓橡膠5，橡膠5帶著坯料8往鋼模的圓孔處流動(dòng)，圓孔的入 口處是鋒利的刃口，從而進(jìn)行沖裁，獲得燃料電池的燃料氣體和冷卻介質(zhì)通道；沖孔局部 示意圖如圖4所示。
4) 開(kāi)模取件上模2上行，從容框9中取出零件，從而獲得合格的金屬雙極板。 本發(fā)明成形的雙極板不受上述實(shí)例的限制，當(dāng)雙極板材料為不銹鋼或者其他材料、雙
極板厚度為0.1 lmm、雙極板的流場(chǎng)為蛇形或者直流場(chǎng)采用本工藝進(jìn)行成形的時(shí)候，也在 本專(zhuān)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 燃料電池金屬雙極板成形模具，包括模架，模架上設(shè)有作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的二個(gè)模板，其特征在于其中一個(gè)模板上聯(lián)接有鋼模，另一個(gè)模板上聯(lián)接有容框，容框內(nèi)固定有橡膠板，容框和鋼模組成沖裁模。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模具，其特征在于容框上設(shè)有擋料銷(xiāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模具，其特征在于鋼模上設(shè)有沖裁孔。
4. 一種用權(quán)利要求1或2所述模具加工燃料電池金屬雙極板的成形工藝，包括如下步驟1) 下料將被加工料板置于鋼模和容框之間，模具的二個(gè)模板在液壓機(jī)作用下作相對(duì)運(yùn)動(dòng)并 帶動(dòng)鋼模運(yùn)動(dòng)，鋼模和容框?qū)Ρ患庸ち习鍥_裁下料，沖裁得到的坯料隨鋼模進(jìn)入容框內(nèi)； 2)沖壓成形上模進(jìn)入容框后在液壓機(jī)作用下繼續(xù)移動(dòng)并擠壓坯料和橡膠，使坯料填充 滿鋼模的型腔；得到金屬雙極板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成形工藝，其特征在于鋼模上設(shè)有沖裁孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池金屬雙極板成形模具，包括模架，模架上設(shè)有作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的二個(gè)模板，其中一個(gè)模板上聯(lián)接有鋼模，另一個(gè)模板上聯(lián)接有容框，容框內(nèi)固定有橡膠板，容框和鋼模組成沖裁模。本發(fā)明還提供了燃料電池金屬雙極板的成形工藝，包括如下步驟1)下料將被加工料板置于鋼模和容框之間，模具模板在液壓機(jī)作用下作相對(duì)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)鋼模運(yùn)動(dòng)，鋼模和容框?qū)Ρ患庸ち习鍥_裁下料，沖裁得到的坯料隨鋼模進(jìn)入容框內(nèi)；2)沖壓成形上模進(jìn)入容框后在液壓機(jī)作用下繼續(xù)移動(dòng)并擠壓坯料和橡膠，使坯料填充滿鋼模的型腔，得到金屬雙極板。本發(fā)明采用軟模成形，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，降低金屬雙極板的成本，同時(shí)軟模成形的沖壓件無(wú)翹曲和回彈現(xiàn)象，零件質(zhì)量高。
文檔編號(hào)H01M4/88GK101504984SQ20091006125
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者箭 蘭, 劉艷雄, 林 華, 曦 魏, 黃海浪 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)